T2DM胰島β細胞去分化相關轉錄因子的研究進展

何風英 孫琳楠 王玉潔 楊孟迪 丁雨露 甄東戶

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病。糖尿病的患病率在全球范圍內迅速上升，中國的一項全國性調查研究顯示，成年人患病率達11.2%(根據世界衛(wèi)生組織診斷標準)[1]。糖尿病的病因很復雜。起初，人們認為胰島素抵抗是2型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)發(fā)病的主要原因，而且胰島素抵抗被認為是肥胖的標志并且可能是導致胰島β細胞衰竭的原因。然而，基于大多數(shù)肥胖人群并沒有發(fā)展成T2DM的事實，目前關于T2DM發(fā)病機制的研究更多地關注胰島β細胞功能障礙。動物實驗和臨床研究都證實了胰島β細胞在高血糖狀態(tài)下能夠去分化為類似祖細胞的狀態(tài)，而不是凋亡[2, 3]。在此，筆者綜述了T2DM患者發(fā)生β細胞去分化的機制的相關研究，這些發(fā)現(xiàn)有望阻止β細胞去分化或者促進去分化后的β細胞再分化，為T2DM的治療提供新思路。

一、胰島β細胞去分化的證據

胰島β細胞去分化是指成熟的胰島β細胞在高糖、氧化應激、脂毒性等環(huán)境下向原始祖細胞退化，變成內分泌祖細胞樣細胞，喪失部分或全部分泌胰島素的能力[4]。起初，人們只是在糖尿病模型小鼠中觀察到內分泌祖細胞標志物的存在，而后在15例糖尿病遺體捐獻者的胰腺中，發(fā)現(xiàn)β細胞發(fā)生了去分化，并向α細胞、δ細胞轉化[2]。有研究者對多例器官捐獻者(包括兒童、健康成人、1型和2型糖尿病患者)的胰島進行了單細胞RNA測序，結果顯示，來自兒童的胰島α和β細胞表現(xiàn)出的基因特征不如成年人，值得注意的是，來自T2DM的胰島α和β細胞具有在兒童中可見的表達譜，表明部分細胞發(fā)生了去分化[5]。之后，日本的一項研究證實人體胰腺活檢組織中也存在β細胞去分化的現(xiàn)象，該研究的組織標本來自于26例糖尿病患者和11例非糖尿病患者行胰膽管腫瘤切除邊緣部分，通過熒光免疫組化檢測到糖尿病組胰島的內分泌細胞數(shù)量與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義，但β細胞數(shù)量明顯減少，α細胞明顯增加，之后研究者將增加的這一部分α細胞，即嗜鉻粒蛋白A表達陽性，而4種主要胰島激素(胰島素、胰高血糖素、生長抑素、胰多肽)表達陰性的細胞，認為是β細胞發(fā)生去分化后的細胞，并證實這類細胞在糖尿病病程中大幅上升[6]。

二、胰島β細胞去分化后相關轉錄因子表達變化

成熟的胰島β細胞表達特定譜系的轉錄因子，如叉頭盒轉錄因子(forkhead box transcription factor O1, FoxO1)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A(musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A, MafA)、胰腺/十二指腸同源盒蛋白1(pancreas/duodenum homeobox protein 1, PDX1)、人類配對盒N基因(paired-box gene 6, PAX6)、NK6同源框1(NK6 homebox 1, NKX6.1)、NK2同源框2(NK2 homebox 2, NKX2.2)等，這些轉錄因子對維持β細胞身份和特異性有重要作用[2, 7]。研究表明，在高糖、高脂、炎癥、氧化應激等因素下，胰島β細胞內的轉錄因子發(fā)生變化，胰島β細胞發(fā)生去分化，表現(xiàn)為特異性的轉錄因子如FoxO1、MafA、PDX1表達下調，而出現(xiàn)內分泌祖細胞的標志物如神經生成素3(neurogenin 3, NGN3)、八聚體結合轉錄因子4(octamer-binding transcription factor 4,OCT4)和醛脫氫酶1家族成員A3(aldehyde dehydrogenase 1 A3，Aldh1a3)[4, 8, 9]。近年來，一項研究發(fā)現(xiàn)，小鼠和人類胰島內分泌細胞都表達CD81，在出生成長的過程中β細胞表面的CD81表達水平逐漸降低，但在糖尿病小鼠模型中CD81表達上調，揭示CD81上調是β細胞不成熟的標志，認為CD81可以作為一種新型表面標志物，用以標記成年小鼠和人類胰島中的去分化的β細胞，進一步研究β細胞的異質性[10]。

三、相關轉錄因子的調節(jié)因子

轉錄因子通過與特定的增強子序列結合來調節(jié)基因表達。MafA、PDX1、NGN3是對胰島β細胞發(fā)育和成熟至關重要的轉錄因子。如NGN3在內分泌祖細胞中表達并控制胰島分化和再生；PDX1對胰腺外分泌和內分泌細胞的發(fā)育至關重要，還與調節(jié)元件結合并促進胰島素基因轉錄；MafA與胰島素基因的增強子或啟動子區(qū)域結合并在葡萄糖驅動下促進胰島素基因表達[11]。有一些特殊的調節(jié)因子如微核糖核酸、長鏈非編碼RNA、細胞色素b5還原酶3、HMG20A、多梳抑制復合物2等調控上述β細胞相關轉錄因子表達，進而影響胰島β細胞功能狀態(tài)(表1)。

表1 胰島β細胞去分化相關轉錄因子的調節(jié)因子

1.微核糖核酸：微核糖核酸(microRNAs, miRNAs)是一種內源性的小分子單鏈RNA，長度為18～24個核苷酸，通過與靶mRNA的3′端非編碼區(qū)(UTR)結合，降解mRNA或抑制mRNA翻譯，從而調控基因的表達，胰島β細胞中的miRNAs在維持胰島β細胞發(fā)育、增殖、胰島素合成和分泌中起著重要作用[12]。棕櫚酸鹽是一種已知的誘導β細胞內質網應激的因子，無論是棕櫚酸鹽還是內質網應激激活物誘導的MIN6細胞，其細胞中microRNA-24(miR-24)表達升高，而且內質網應激激活物處理的MIN6細胞中的Ngn3、Oct4和性別決定基因相關轉錄因子(sry-related HMGbox-containing transcription factor-2，SOX2)的表達水平也提升，MafA的表達明顯降低，PDX1的表達較小程度下降[13]。但是，在近年來的一項研究中，高脂飲食誘導的敲除microRNA-483(miR-483)的模型小鼠表現(xiàn)出高血糖和糖耐量下降，且表現(xiàn)出Aldh1a3的表達升高，而Aldh1a3是胰島β細胞發(fā)生去分化的標志，這表示miR-483可能在保護β細胞不發(fā)生去分化方面具有潛在作用[14]。

2.長鏈非編碼RNA：長鏈非編碼RNA (long non-coding RNA, lncRNA)在細胞中含量豐富，在細胞分化過程中發(fā)揮著關鍵作用[15]。有研究顯示，30例糖尿病患者及30例健康人外周血中l(wèi)ncRNA-p3134的表達比較，差異有統(tǒng)計學意義，在MIN6細胞和db/db小鼠中過表達[16]。接著將MIN6細胞分別暴露在5.0mmol/L或33.3mmol/L葡萄糖下持續(xù)48h，由于糖毒性的作用，PDX1、MafA的表達顯著低于對照組，而lncRNA-p3134過表達逆轉了高糖刺激下MafA和PDX1表達的下降[16]。在β細胞系MIN6細胞中，lncRNA Meg3通過Rad21、Smc3和Sin3α啟動子中組蛋白H3K27的三甲基化與zeste基因增強子同源物2(enhancer of zeste homolog 2,EZH2)結合，進而抑制這些轉錄因子的表達，后續(xù)研究表明，這3個轉錄因子抑制MafA表達，影響胰島素基因的表達和胰島素的合成[17]。

3.細胞色素b5還原酶3：細胞色素b5還原酶3(cytochrome b5 reductase 3, Cyb5r3)是去分化的β細胞的RNA圖譜中確定的候選基因之一，參與線粒體電子傳遞鏈活化、抗氧化還原、脂肪酸去飽和和膽固醇的生物合成等過程[18]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1缺陷型小鼠中胰島β細胞內的Cyb5r3的表達降低，而Cyb5r3基因缺陷型小鼠則表現(xiàn)出對葡萄糖的反應遲鈍和胰島素分泌受損，而且FoxO1無法維持β細胞特性的關鍵標志物表達，這說明Cyb5r3是FoxO1依賴的維持譜系穩(wěn)定性所必需的[19]。

4.HMG20A：HMG20A是高遷移率族蛋白(high mobility group proteins, HMG)的一員，通過組蛋白去甲基酶復合物LSD1-CoREST激活或沉默染色質，在抑制神經祖細胞分化、促進表皮細胞間質轉化方面具有重要作用[20]。有研究將T2DM遺體捐獻者的胰島與非糖尿病的遺體捐獻者的胰島比較，結果顯示，T2DM遺體捐獻者胰島中的HMG20A轉錄水平降低了約60%，且葡萄糖刺激胰島素分泌功能顯著降低，隨著HMG20A的表達下降，MafA表達減少了50%，且證實HMG20A通過與Pax4基因啟動子直接結合實現(xiàn)對Pax4的負調控[21]。

5.多梳抑制復合物2：多梳抑制復合物(polycomb repressive complex，PRC)，是對細胞命運重要的染色質調節(jié)系統(tǒng)，其中PRC2使組蛋白賴氨酸殘基H3K27甲基化，介導沉默基因表達[22]。在β特異性PRC2缺陷小鼠(βEedKO)中，8周齡的βEedKO小鼠具有葡萄糖耐受性，并出現(xiàn)胰島素過度分泌的趨勢，在16周齡時，表現(xiàn)出明顯的葡萄糖不耐受，到25周齡時，全部表現(xiàn)出明顯的糖尿病，并且β細胞成熟標志物MafA、PDX1、NKX6.1和NKX2.2表達水平降低，認為PRC2通過基因沉默這一方式穩(wěn)定β細胞功能和特性[23]。

四、胰島β細胞去分化后轉分化

細胞轉分化是指終末分化細胞轉化為其他細胞類型，而不返回祖細胞樣狀態(tài)。研究表明，通過減重、強化降糖、代謝手術恢復個人脂肪閾值、解除糖脂毒性或改善腸道激素和腸道菌群，使去分化的胰島β細胞重新具備分泌胰島素的能力，也可以通過誘導胰島內其他類型的內分泌細胞或干細胞形成類β細胞來補充β細胞數(shù)量，增加胰島素的合成和分泌[24,25]。

在體外培養(yǎng)的人類多能干細胞(hunman pluripotent stem cells, hPSC)，其中就可以產生數(shù)億個對葡萄糖有反應的β細胞，而且表達成熟β細胞的標志物，將這些干細胞來源的β細胞移植到小鼠的體內，發(fā)現(xiàn)這類細胞能以葡萄糖調節(jié)的方式將胰島素分泌到小鼠的血清中，證實這類β細胞可以改善糖尿病小鼠的高血糖[26]。骨髓的間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)通過介導Wnt-β-連環(huán)蛋白信號通路，促進受損的內皮細胞恢復，并改善胰島微循環(huán)[27]。研究表明，人T2DM胰島中IL-1β和TNF-α表達升高可以激活骨髓MSCs分泌IL-1Ra，降低了胰島炎性反應，促進胰島功能恢復[28]。隨后，有研究者將T2DM患者的MSCs移植入到db/db模型小鼠中，結果顯示與對照組比較，MSCs處理組中的去分化的β細胞數(shù)量顯著降低，表明MSCs可能逆轉了β細胞去分化[28]。之后，研究者將臍帶MSCs移植到db/db模型小鼠中，發(fā)現(xiàn)在胰島β細胞去分化的早期階段移植MSCs能顯著改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并逆轉去分化，而在晚期移植只能輕度改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和部分地逆轉去分化，因此，認為MSCs移植治療在β細胞去分化的早期階段逆轉作用大于晚期[29]。

五、展 望

本文主要探討了T2DM胰島β細胞去分化后的相關轉錄因子如FoxO1、MafA、PDX1表達下調，而出現(xiàn)內分泌祖細胞的標志物NGN3和OCT4,以及相關轉錄因子的調節(jié)因子。然而，要完全破解胰島β細胞功能障礙的機制，尤其胰島β細胞去分化方面，還有很多研究要做：(1)這些調節(jié)因子通過何種信號通路進行調控轉錄因子還不明確。(2)如何將去分化后的胰島β細胞誘導成成熟的細胞也是目前研究的熱點。(3)目前臨床胰島移植技術逐漸成熟，其長期療效逐漸接近胰腺移植，而干細胞移植還只停留在動物實驗上，且這類研究較少，干細胞移植術在未來能否成為糖尿病的治療手段之一還有待于進一步研究[30]。